[논문 리뷰] cQASM v1.0: Towards a Common Quantum Assembly Language

N. Khammassi, Gian Giacomo Guerreschi외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 10인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 다양한 양자 도구 간의 이질적인 QASM 다이얼렉트를 통합하기 위해 설계된 표준화되고 하드웨어에 종속되지 않는 양자 어셈블리 언어 cQASM v1.0을 소개한다. 저수준 하드웨어 세부 정보를 추상화하고 상호 운용성을 보장함으로써 cQASM은 다양한 플랫폼 간에 양자 회로의 원활한 컴파일, 시뮬레이션 및 실행을 가능하게 하여 양자 컴퓨팅 커뮤니티의 기초 도구 박스를 형성한다.

ABSTRACT

The quantum assembly language (QASM) is a popular intermediate representation used in many quantum compilation and simulation tools to describe quantum circuits. Currently, multiple different dialects of QASM are used in different quantum computing tools. This makes the interaction between those tools tedious and time-consuming due to the need for translators between theses different syntaxes. Beside requiring a multitude of translators, the translation process exposes the constant risk of loosing information due to the potential incompatibilities between the different dialects. Moreover, several tools introduce details of specific target hardware or qubit technologies within the QASM syntax and prevent porting the code to other hardwares. In this paper, we propose a common QASM syntax definition, named cQASM, which aims to abstract away qubit technology details and guarantee the interoperability between all the quantum compilation and simulation tools supporting this standard. Our vision is to enable an extensive quantum computing toolbox shared by all the quantum computing community.

연구 동기 및 목표

• 도구 간 분열된 양자 어셈블리 언어(QASM)로 인해 발생하는 상호 운용성 문제와 번역 과정에서의 정보 손실 위험을 해결하기 위해.
• 양자 회로의 표준화된 중간 표현으로 사용할 수 있는 공통의 하드웨어에 종속되지 않는 양자 어셈블리 언어를 만들기 위해.
• 변이 알고리즘, 오류 수정, 피드포워드 연산과 같은 다양한 양자 컴퓨팅 요구 사항을 모듈러하고 확장 가능한 문법을 통해 지원하기 위해.
• 큐비트 기술 특화 세부 정보를 추상화함으로써 장기적인 도구 호환성과 코드 이식성을 보장하기 위해.
• 도구들이 하나의 표준화된 언어를 통해 상호 운용할 수 있는 공동의 양자 컴퓨팅 생태계를 구축하기 위해.

제안 방법

• 특정 큐비트 기술과 마이크로아키텍처에서 독립적인 최소한의 하드웨어에 종속되지 않는 QASM 문법을 정의하기 위해.
• 큐비트 정의, 측정 레지스터, 양자 게이트, 회로 정의를 위한 구조화된 문법을 도입하여 명확성과 일관성을 확보하기 위해.
• 게이트 수준의 병렬 처리(SGMQ), 루프, 동적 측정 평균화와 같은 고급 기능을 위한 선택적 확장 기능을 통합하기 위해.
• 비환원 관측량의 기대값을 추정하기 위한 전용 명령을 통해 변이 양자 알고리즘을 지원하기 위해.
• 향후 고전적 제어 흐름, 조건부 연산, 서브-회로 재사용을 위한 지원이 가능하도록 확장 가능한 언어를 설계하기 위해.
• IBM, 인텔, 학술 연구자 등 다양한 이해관계자로부터의 피드백을 통합하여 광범위한 커뮤니티의 일치와 실용적 사용성을 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 상호 운용 불가능한 QASM 다이얼렉트를 통합할 수 있는 공통의 양자 어셈블리 언어를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 변이 양자 고유값 해법과 양자 샘플링과 같은 근접한 양자 알고리즘을 지원하기 위해 필요한 문법적 및 의미적 기능은 무엇인가?
• RQ3 저수준 최적화 및 스케줄링 지원을 유지하면서 하드웨어에 종속되지 않는 양자 회로 표현을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ4 양자 컴파일러, 시뮬레이터, 하드웨어 백엔드 간의 상호 운용성을 보장하기 위해 필요한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 고전-양자 상호작용 및 동적 회로 제어를 포함한 향후 양자 알고리즘의 진화를 지원하기 위해 필요한 확장 기능은 무엇인가?

주요 결과

• cQASM v1.0은 표준화되고 하드웨어에 종속되지 않는 양자 어셈블리 언어를 제공하여 이질적인 QASM 다이얼렉트를 통합함으로써 번역 오버헤드와 정보 손실을 줄였다.
• 비환원 관측량의 기대값을 측정하기 위한 전용 명령을 통해 변이 양자 알고리즘과 같은 핵심 근접 양자 워크로드를 지원한다.
• SGMQ 명령어를 통한 게이트 수준의 병렬 처리를 지원함으로써 cQASM은 짧은 표현으로 양자 회로를 기술할 수 있으며, 스케줄링 및 시뮬레이션 효율성을 향상시킨다.
• 기본 양자 회로를 위한 최소한의 코어 문법과 루프 및 측정 평균화와 같은 고급 사용 사례를 위한 확장 가능한 기능을 포함한다.
• 사양은 향후 고전적 제어 흐름, 조건부 연산, 서브-회로 재사용을 위한 지원이 계획된 상태로 진화하도록 설계되어 있다.
• 커뮤니티 주도적인 설계 과정은 이미 주요 양자 연구 기관 및 산업 연구소들로부터의 피드백을 통합하여 광범위한 관련성과 도입 가능성 보장을 확보했다.